1000MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)異常原因分析及對策

施壯+李平強(qiáng)+蔡偉

摘 要：某1000MW機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了給煤量、給水流量等參數(shù)大幅波動甚至突降現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全運(yùn)行。通過對該機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析和事件發(fā)生時控制邏輯內(nèi)部流程的回放，分析了事件原因是由于近期燃煤煤質(zhì)大幅變化，暴露出原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中部分控制邏輯及參數(shù)設(shè)置不合理等隱性問題。最后給出了針對性優(yōu)化建議和防范措施，改善了1000MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對煤質(zhì)的適應(yīng)能力，提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性。

關(guān)鍵詞：1000MW；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；前饋控制；負(fù)荷禁減；煤質(zhì)適應(yīng)性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.037

1 引言

某廠5 號機(jī)組（1050MW）鍋爐選用的上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)技術(shù)制造的超超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、四角切向燃燒、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式鍋爐；汽機(jī)選用的是上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界、四缸四排汽、再熱凝汽式汽輪機(jī)；DCS 系統(tǒng)采用了艾默生過程管理有限公司的OVATION 分散控制系統(tǒng)。

自2011年5月份投產(chǎn)以來，該機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及AGC控制功能一直正常投入，但在2011年12月14日發(fā)生給水流量、給煤量突降、機(jī)組運(yùn)行參數(shù)大幅波動事件，影響了百萬機(jī)組安全運(yùn)行。綜合歷史趨勢、控制策略及控制參數(shù)等信息，對機(jī)組控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)分析后認(rèn)為，由于近期燃煤煤質(zhì)變差，機(jī)組運(yùn)行特性發(fā)生改變，暴露出原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計中的一些隱性問題，導(dǎo)致異常事件的發(fā)生。

2 事件經(jīng)過簡介

2011年12月14日23：40：22當(dāng)機(jī)組AGC指令由682MW下降至615MW時，鍋爐主控指令由832MW階躍下降至748MW，給煤指令由323t/h降至287t/h，給水指令由1556t/h階躍下降至1309t/h，23：40：37實(shí)際給煤量降至274t/h，23：40：41給水流量降至最低值為905t/h，同時“負(fù)荷禁減”信號出現(xiàn)，23：40：48負(fù)荷禁減信號消失，在接下來23：40：48～23：41：01時間段內(nèi)，負(fù)荷禁減信號連續(xù)三次來回跳變，鍋爐主控指令在938MW和763MW之間連續(xù)三次交替變化，給煤量指令在357t/h和257t/h之間連續(xù)三次交替變化， 23：41：03給煤量下降至最低值192t/h，40S內(nèi)給煤量下降近112t/h，此次事件中機(jī)組運(yùn)行參數(shù)變化趨勢如圖1所示。

3 協(xié)調(diào)控制策略介紹

3.1 鍋爐主控動態(tài)前饋（OVERLOAD1）控制回路

為克服中速磨制粉系統(tǒng)的純延遲和1000MW超超臨界鍋爐的燃燒慣性，5號機(jī)組設(shè)計有鍋爐主控動態(tài)前饋（OVERLOAD1）回路，將主汽壓力提升的動態(tài)熱量需求疊加在鍋爐主控指令上[1]。

鍋爐指令的動態(tài)前饋（OVERLOAD1）主要靠機(jī)組負(fù)荷指令的動態(tài)微分環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，其微分時間由機(jī)組變負(fù)荷速率（LDR）對應(yīng)的函數(shù)F1（X）決定，微分輸入值為經(jīng)函數(shù)F2（X）修正后的機(jī)組負(fù)荷指令，F(xiàn)2（X）也為機(jī)組變負(fù)荷速率（LDR）對應(yīng)的函數(shù)。

鍋爐主控動態(tài)前饋控制回路如圖3所示，其微分時間和微分輸入值表達(dá)式分別為：

微分時間=20*F1（LDR）； （表達(dá)式1）

微分增益=3.5*MWD*F2（LDR）； （表達(dá)式2）

其中F1（X）、F2（X） 函數(shù)關(guān)系如下表1所示：

3.2 給水流量設(shè)定值控制回路

當(dāng)機(jī)組進(jìn)入干態(tài)運(yùn)行階段，由鍋爐主控指令經(jīng)燃水比函數(shù)計算出的給水流量，扣除設(shè)計減溫水量，經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)動態(tài)校正后作為給水指令的基準(zhǔn)值；分離器出口焓差經(jīng)PID閉環(huán)校正后作為給水指令的修正值，這兩部分值疊加形成了干態(tài)給水流量設(shè)定值（FWDRY） [2，3]，同時為防止水冷壁超溫，設(shè)置了最小給水流量保護(hù)值（FWMIN），其值線性對應(yīng)于鍋爐主控指令（BD），因此最終的給水流量指令（FWSET）控制回路如圖4所示，其表達(dá)式為：

最終的給水流量指令=max（干態(tài)下給水流量設(shè)定值，2.9×鍋爐主控指令-500）+偏置 （表達(dá)式3）

4 事件具體過程分析

在AGC降負(fù)荷前，干態(tài)下給水流量設(shè)定值（FWSET）為1556t/h，給水流量偏置（FWBIAS）為-350 t/h，鍋爐主控指令（BD）為831MW，按照表達(dá)式3可以計算出，當(dāng)前負(fù)荷下的最小給水流量保護(hù)值（FWMIN）為831×2.9-500=1909t/h，由于給水流量保護(hù)值大于干態(tài)下給水流量設(shè)定值，由圖3可以看出，最終的給水流量設(shè)定值為FWSET=FWMIN+FWBIAS=1909-350=1559t/h，因此此時的給水流量調(diào)節(jié)只是簡單的煤水間線性對應(yīng)的開環(huán)控制，未經(jīng)過動態(tài)校正環(huán)節(jié)和焓值閉環(huán)調(diào)節(jié)。

當(dāng)AGC指令由682MW下降至615MW時，在動態(tài)前饋（OVERLOAD1）作用下，鍋爐主控指令階躍下降83MW，由于給水流量指令直接線性對應(yīng)鍋爐主控指令，給水流量指令階躍下降83×2.9=240t/h，再加上給水主控系統(tǒng)的超調(diào)，23：40：41給水流量調(diào)節(jié)至最低值905t/h，而且由于低于其設(shè)定值300t/h，負(fù)荷禁減信號出現(xiàn)，機(jī)組變負(fù)荷速率切為0。

從表達(dá)式1、表達(dá)式2、表1可以看出，此時的鍋爐主控動態(tài)前饋（OVERLOAD1）的微分時間和微分輸入均為0，其輸出值也由-83MW變?yōu)?MW，當(dāng)給水流量偏差回歸到正常值范圍內(nèi)，負(fù)荷禁減信號消失，機(jī)組變負(fù)荷速率重新回歸到原先值13MW/min，微分時間回歸到原先值47.6，微分輸入回歸到原先值2240，導(dǎo)致鍋爐主控動態(tài)前饋（OVERLOAD1）由0MW階躍升至上限值150MW，然后又階躍下降至下限值-150MW，鍋爐主控輸出階躍變化-300MW。

此時的給水流量指令再次跟蹤鍋爐主控指令階躍變化，給水流量控制偏差大和負(fù)荷禁減信號再次出現(xiàn)，然后再次消失，以此循環(huán)，最終導(dǎo)致23：40：48～23：41：01鍋爐主控動態(tài)前饋（OVERLOAD1）、鍋爐主控指令、給水流量指令、給煤量指令連續(xù)三次交替變化，20S內(nèi)給水流量下降近650t/h，40S內(nèi)給煤量下降近112t/h。

5 原因分析及整改建議

5.1 給水流量指令階躍變化原因分析及建議

對于1000MW超超臨界機(jī)組而言，為確保各種工況下煤水比動態(tài)匹配合理，一般要求給水流量指令滯后于鍋爐主控指令變化，當(dāng)鍋爐主控指令階躍變化時，給水流量指令應(yīng)該是一個多階慣性變化過程。

在事件1中出現(xiàn)了給水流量指令階躍變化現(xiàn)象，通過歷史數(shù)據(jù)分析可知，由于近期5號機(jī)組燃煤煤質(zhì)變化較大，導(dǎo)致給水控制回路中設(shè)置的煤水函數(shù)嚴(yán)重偏離實(shí)際情況，經(jīng)煤水動態(tài)校正和焓值閉環(huán)校正的干態(tài)下給水流量需求值小于“最小給水流量”需求值，使得最終給水流量指令為鍋爐指令直接線性對應(yīng)的輸出，所以當(dāng)鍋爐主控指令階躍變化時，給水流量指令跟隨階躍變化。

因此提出以下優(yōu)化建議：

a）投入BTU熱值校正回路，當(dāng)燃煤煤質(zhì)變化時， BTU熱值校正回路在線自動計算出校正系數(shù)，對當(dāng)前給煤量進(jìn)行熱值修正，使鍋爐主控指令時刻與設(shè)計煤質(zhì)下的煤量相對應(yīng)，避免煤質(zhì)變化情況下的煤水配比函數(shù)失調(diào)。

b）在目前BTU回路未投運(yùn)情況下，建議根據(jù)機(jī)組當(dāng)前燃煤煤質(zhì)總體狀況，合理修改當(dāng)前煤質(zhì)下的煤水配比函數(shù)以及鍋爐主控指令與最小給水流量間的對應(yīng)系數(shù)。

c）對于1000MW超超臨界機(jī)組，機(jī)組負(fù)荷與給水流量之間更具有一一對應(yīng)關(guān)系，而且其對應(yīng)關(guān)系不受煤質(zhì)等因素干擾，建議將最小給水流量計算值與機(jī)組負(fù)荷指令相對應(yīng)。

5.2 給水流量偏差大信號原因分析及建議

事件發(fā)生過程中，當(dāng)給水流量指令階躍下降240t/h時，實(shí)際給水流量下降了650t/h，超調(diào)量高達(dá)163%，而且此時實(shí)際給水流量低于其設(shè)定值300t/h，導(dǎo)致給水流量偏差大和負(fù)荷禁減信號發(fā)出，分析其原因和給水主控調(diào)節(jié)速率過快有關(guān)。

因此建議：

a）優(yōu)化給水主控PID調(diào)節(jié)參數(shù)，放慢其調(diào)節(jié)速率，抑制其超調(diào)現(xiàn)象。

b）檢查各臺汽泵的工作區(qū)特性是否存在調(diào)節(jié)特性突變情況。

5.3 鍋爐主控指令動態(tài)前饋連續(xù)跳變原因分析及建議

事件發(fā)生過程中，出現(xiàn)鍋爐主控動態(tài)前饋（OVERLOAD1）在上下限間來回跳變現(xiàn)象，分析其原因是由于變負(fù)荷速率為0時，鍋爐主控動態(tài)前饋的微分增益和微分時間修正系數(shù)都為0，當(dāng)負(fù)荷禁減信號來回切換時，變負(fù)荷速率和鍋爐主控動態(tài)前饋的微分輸入、微分時間均在0和正常值間來回跳變，導(dǎo)致鍋爐主控動態(tài)前饋?zhàn)罱K輸出連續(xù)交替跳變。

設(shè)計負(fù)荷禁減邏輯目的是當(dāng)給水流量、給煤量、風(fēng)量偏低等邊界條件出現(xiàn)時，為了避免鍋爐燃燒狀況惡化，禁止負(fù)荷指令繼續(xù)下降，因此此時只需確保鍋爐主控動態(tài)前饋不再繼續(xù)下降即可，無需強(qiáng)制切至0。

因此建議：當(dāng)變負(fù)荷速率為0為，鍋爐主控動態(tài)前饋的微分輸入、微分時間的修正值為非0值，例如將函數(shù)FX1中0對應(yīng)1，函數(shù)FX2中0對應(yīng)1.2即可。

6 總結(jié)

1000MW超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中設(shè)計有眾多對應(yīng)函數(shù)，這些函數(shù)是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主線，其準(zhǔn)確性對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)至關(guān)重要，當(dāng)實(shí)際值與設(shè)計對應(yīng)關(guān)系嚴(yán)重偏離時，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)大打折扣，甚至導(dǎo)致控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍溢出或者用于邊界條件下的保護(hù)回路切換為正常的調(diào)節(jié)回路，進(jìn)而造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)紊亂。此次事件發(fā)生就是由于近期燃煤煤質(zhì)大幅變化，使得煤水函數(shù)與實(shí)際值不符，再加上調(diào)節(jié)系統(tǒng)中存在參數(shù)設(shè)值不合理等隱形問題，導(dǎo)致負(fù)荷禁減信號發(fā)出以及后續(xù)事件發(fā)生。目前各電廠燃煤來源種類繁多、熱值變化多樣，此次協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)異常事件的分析和解決，對其它超（超臨界）機(jī)組具有廣泛的借鑒意義和警示作用。

作者簡介：施壯（1980-），男，碩士，工程師，從事電廠熱工自動化技術(shù)應(yīng)用及研究工作。